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1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程信息学院自动化系：孙洪程 Email:S第二章第二章 串级控制系统串级控制系统 串级控制系统串级控制系统2.1 2.1 概述概述概述概述2.2 2.2 串级控制系统串级控制系统串级控制系统串级控制系统2.3 2.3 投运和整定投运和整定投运和整定投运和整定2.4 2.4 串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.5 2.5 串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计( (改错改错改错改错: :公式公式公式公式223a223a、224a224a中中中中22、11为为为为2c2c、1c
2、)1c) 实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究第第2章章教学进程教学进程教学进程教学进程2.12.1概述概述概述概述单回路控制系统单回路控制系统单回路控制系统单回路控制系统简单控制系统：在一般情况下能简单控制系统：在一般情况下能简单控制系统：在一般情况下能简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求够满足生产控制要求够满足生产控制要求够满足生产控制要求特殊情
3、况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求工艺特殊要求工艺特殊要求工艺特殊要求复杂系统-随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如复杂大系统-人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。复杂系统-多回路系统多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。2.12.1概述概述概述概述 复杂控制系统复杂控制系统复杂控制系统复杂控制系统80-90%控制系统是基于PID控制的系统，包括多回路系统。多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它
4、共有421个控制回路其中：常规PID单回路 347个串级、比值等74个（串级24）多回路系统占17.5% 多回路系统的发展多回路系统的发展多回路系统的发展多回路系统的发展2.12.1概述概述概述概述 串级控制系统原理串级控制系统原理串级控制系统原理串级控制系统原理 精馏控制过程：精馏控制过程：精馏控制过程：精馏控制过程： 提提提提馏馏馏馏段段段段温温温温度度度度控控控控制制制制 通通通通过过过过控控控控制制制制再再再再沸沸沸沸器器器器加加加加热热热热蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽量量量量来维持提馏段温度恒定来维持提馏段温度恒定来维持提馏段温度恒定来维持提馏段温度恒定 2.12.1 概述概述概述概述TC精馏塔
5、提馏段温度控制：精馏塔提馏段温度控制：精馏塔提馏段温度控制：精馏塔提馏段温度控制：结果：温度控制不稳定结果：温度控制不稳定结果：温度控制不稳定结果：温度控制不稳定2.12.1 概述概述概述概述 分析干扰：分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度可控制温度可控制温度可控制温度情况一，情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会很多情况下，除了进料因
6、素影响，加热蒸汽流量也会有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀门开度情况下，加热蒸汽量不同。门开度情况下，加热蒸汽量不同。门开度情况下，加热蒸汽量不同。门开度情况下，加热蒸汽量不同。解决办法：解决办法：解决办法：解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定流量稳定流量稳定流量稳定 ？ 问题：问题：问题：问题：两套控制
7、系统不能协调，甚至出现矛盾两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾 温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。 2.12.1 概述概述概述概述TCFC串级控制系统：串级控制系统：两套控制系统的协调控制两套控制系统的协调控
8、制两套控制系统的协调控制两套控制系统的协调控制特点：特点：两个控制器，一个调节阀两个控制器，一个调节阀两个控制器，一个调节阀两个控制器，一个调节阀 一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀（副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀 2.12.1 概述概述概述概述TCFC2.12.1 概述概述概述概述温度控制器流量控制器流量控制器
9、控制阀控制阀流量变送器流量变送器流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器 特点：特点：特点：特点：两个闭环环路，内环和外环两个闭环环路，内环和外环两个闭环环路，内环和外环两个闭环环路，内环和外环 内环：内环：内环：内环：副环，副控制器、副对象、副变送器副环，副控制器、副对象、副变送器副环，副控制器、副对象、副变送器副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量）（流量）（流量）（流量） 外环：外环：外环：外环：主环，主控制器、主对象、主变送器主环，主控制器、主对象、主变送器主环，主控制器、主对象、主变送器主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）（温度）（温度）（温度）F形成两个环:副环
10、或副回路“粗调”作用主环或主回路“细调”作用 主主主主环环环环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 副副副副环环环环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀F副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀2.12.1 概述概述概述概述2.12.1 概述概述概述概述 串级控制系统工作过程串级控制系统工作过程串级控制系统工作过程串级控制系统工作过程TCFC情况情况情况情况1: 1: 副环内出现干扰副环内出现干扰副环内出现干扰副环内出现干扰情况情况情况情况2:2:主环内出现干扰主环内出现干扰主环内出现干扰主
11、环内出现干扰情况情况情况情况3:3:主环和副环同时出现干扰主环和副环同时出现干扰主环和副环同时出现干扰主环和副环同时出现干扰蒸汽蒸汽进料进料情况情况情况情况1:1: 副环内出现干扰副环内出现干扰副环内出现干扰副环内出现干扰 流量控制器：流量控制器：“粗调粗调” 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 2.12.1 概述概述概述概述蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏段温度不变，（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大量测量增大（流量控制器正偏差，流量控制器输出（流量控制器正偏差，流量控制器输出减
12、小，控制阀关小）减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削弱对提馏段蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）温度的影响） 提馏段温度缓慢上升提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。小。情况情况情况情况2:2: 主环内出现干扰主环内出现干扰主环内出现干扰主环内出现干扰 进进进进料料料料量量量量突突突突然然然然增增增增大大大大，塔塔塔塔釜釜釜釜液液液液位位位位上上上上升升升升，提提提提馏馏馏馏段段段段
13、温温温温度度度度下下下下降降降降温温温温度度度度控控控控制制制制器器器器负负负负偏偏偏偏差差差差，输输输输出出出出增增增增大大大大（流流流流量量量量控控控控制制制制器器器器负负负负偏偏偏偏差差差差，流流流流量量量量控控控控制制制制器器器器输输输输出出出出增增增增大大大大，控控控控制制制制阀阀阀阀开开开开度度度度增增增增大大大大，蒸蒸蒸蒸汽汽汽汽量量量量增增增增加加加加）提馏段温度回升提馏段温度回升提馏段温度回升提馏段温度回升2.12.1 概述概述概述概述2.12.1 概述概述概述概述 情况情况情况情况3:3: 主环和副环同时主环和副环同时主环和副环同时主环和副环同时（1 1）副环干扰使蒸汽流量
14、增大，）副环干扰使蒸汽流量增大，）副环干扰使蒸汽流量增大，）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；主环干扰使提馏段温度降低；主环干扰使提馏段温度降低；主环干扰使提馏段温度降低；（1 1）副环干扰使蒸汽流量增大，）副环干扰使蒸汽流量增大，）副环干扰使蒸汽流量增大，）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。主环干扰使提馏段温度升高。主环干扰使提馏段温度升高。主环干扰使提馏段温度升高。FCFCspsp2.12.1 概述概述概述概述 串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控串级控制系统
15、具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。程中应用比较普遍。程中应用比较普遍。程中应用比较普遍。 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 结论：结论：流量控制器：流量控制器：“粗调粗调”串级控制系统串级控制系统2.1 2.1 概述概述概述概述2.2 2.2 串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施2.3 2.3 投运和整定投运和整定投运和整定投运和整定2.4 2.4
16、串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.5 2.5 串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究第第2章章教学进程教学进程教学进程教学进程2.22.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施组成控制系统的设备不同，实施方
17、法也有差异组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异目前主要是：目前主要是：目前主要是：目前主要是： 电动电动电动电动型仪表系统、型仪表系统、型仪表系统、型仪表系统、 气动气动气动气动型仪表系统、型仪表系统、型仪表系统、型仪表系统、 计算机控制系统（计算机控制系统（计算机控制系统（计算机控制系统（DCSDCS、PLCPLC） 实施前要考虑的几个问题实施前要考虑的几个问题实施前要考虑的几个问题实施前要考虑的几个问题 （1 1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号系统设备间的传输信号要匹配，电信号系统设备间的传输信号要匹配
18、，电信号系统设备间的传输信号要匹配，电信号420mA, 15V420mA, 15V，气信号气信号气信号气信号0.020.1Mpa0.020.1Mpa，混合时需要转换装置（电混合时需要转换装置（电混合时需要转换装置（电混合时需要转换装置（电- -气转换）气转换）气转换）气转换） （2 2）副控制器必须具有外给定功能副控制器必须具有外给定功能副控制器必须具有外给定功能副控制器必须具有外给定功能 （3 3）是否需要切换开关，即切换成：是否需要切换开关，即切换成：是否需要切换开关，即切换成：是否需要切换开关，即切换成： a a 主控制器直接控制控制阀；主控制器直接控制控制阀；主控制器直接控制控制阀；主
19、控制器直接控制控制阀； b b 副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，并且要考虑无扰动切换。并且要考虑无扰动切换。并且要考虑无扰动切换。并且要考虑无扰动切换。 （4）实施方案力求简洁实用，便于操作。实施方案力求简洁实用，便于操作。实施方案力求简洁实用，便于操作。实施方案力求简洁实用，便于操作。2.22.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施2.2.12.2.1串级控制系统控制方案串级控制系统控制方案串级控制
20、系统控制方案串级控制系统控制方案 电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机 （1 1）一般的串级方案）一般的串级方案）一般的串级方案）一般的串级方案 （2 2）能实现主控）能实现主控）能实现主控）能实现主控 串串串串级切换的串级方案级切换的串级方案级切换的串级方案级切换的串级方案温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器流量变送器流量变送器2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施 主变量是
21、生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，一般不允许有余差一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服对象滞后，也加入微分作用；对象滞后，也加入微分作用；副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，只选择比例控制规律；只选择比例控制规律；只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰
22、只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰出现在什么位置。出现在什么位置。（1）主、副控制器控制规律的选择）主、副控制器控制规律的选择2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施 选择顺序：先副后主选择顺序：先副后主 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况主控制器：考虑主环
23、内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为副回路可以看作是一个符号为“正正”的环节的环节 随动系统，跟踪主随动系统，跟踪主控制器的输出。控制器的输出。 （2）主、副控制器正反作用的选择）主、副控制器正反作用的选择2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为主对象为“正正”，则主控制器取，则主控制器取“反反”作用，主对象作用，主对象为为“负负”，则主控制器取，则主控制器取“正正”
24、作用作用 例例1 1 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC燃料燃料物料物料副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气开气开”式式正正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升压力上升正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升出口温度上升正正2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施例例2 2精馏
25、塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气闭气闭”式式负负 正对象，流量对象，阀门开大，正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大流量增大正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升提馏段温度上升正正FCTC2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实
26、施串级控制系统的实施结论结论（1 1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；（2 2）直接先确定主控的正反作用。）直接先确定主控的正反作用。）直接先确定主控的正反作用。）直接先确定主控的正反作用。2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施 串级串级主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀 主控主控串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀
27、串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确直接切换条件直接切换条件 （3）串级与主控的切换条件）串级与主控的切换条件2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施FCspconstFCspconst副控制器为反作用（负）：副控制器为反作用（负）：FCspconstFCspconst副控制器为正作用（正）：副控制器为正作用（正）：可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。可见，此时主、副
28、控制器输出信号变化一致。此时主、副控制器输出信号变化不一致此时主、副控制器输出信号变化不一致此时主、副控制器输出信号变化不一致此时主、副控制器输出信号变化不一致如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先改变主控的方向，再切换。条件条件结论结论如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用的开、闭形式。2.2.22.2.2串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统串级控制系统2.1 2.1 概述概述概述概述2.2 2.2 串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施2.3 2.3 串级控制系统的投运和整定串级控制系统
29、的投运和整定串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定2.4 2.4 串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.5 2.5 串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究第第2章章教学进程教学进程教学进程教学进程2.32.3串级控制系统的投运和整定串
30、级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定2.3.12.3.1串级控制系统的投运串级控制系统的投运串级控制系统的投运串级控制系统的投运 根据组成系统的仪表类型有所不同根据组成系统的仪表类型有所不同根据组成系统的仪表类型有所不同根据组成系统的仪表类型有所不同 基本原则：先投副环，后投主环，保证投运基本原则：先投副环，后投主环，保证投运基本原则：先投副环，后投主环，保证投运基本原则：先投副环，后投主环，保证投运无扰动无扰动无扰动无扰动 （型以上仪表、计算机控制）型以上仪表、计算机控制）型以上仪表、计算机控制）型以上仪表、计算机控制） 2.3.12.3.1串级控制系统的投
31、运串级控制系统的投运串级控制系统的投运串级控制系统的投运投运步骤投运步骤投运步骤投运步骤4 4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5 5、分别将副、主控制器切入自动、分别将副、主控制器切入自动、分别将副、主控制器切入自动、分别将副、主控制器切入自动 1 1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器 外给定，正
32、反作用正确，外给定，正反作用正确，外给定，正反作用正确，外给定，正反作用正确，PIDPID参数正确参数正确参数正确参数正确2 2、副控制器手动操作、副控制器手动操作、副控制器手动操作、副控制器手动操作3 3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数 变化也比较平稳变化也比较平稳变化也比较平稳变化也比较平稳2.3.22.3.2串级控制系统的工程整定方法串级控制系统的工程整定方法串级控制系统的工程整定方法串级控制系统的工程整定方法逐步逼近法、两步法、
33、一步法，先副环，后主环逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环两步法两步法两步法两步法 主环控制器比例度主环控制器比例度主环控制器比例度主环控制器比例度100%100%，积分时间最大，微分时间最小，积分时间最大，微分时间最小，积分时间最大，微分时间最小，积分时间最大，微分时间最小， 按按按按 4 4：1 1整定方法直接整定副环，确定副环整定方法直接整定副环，确定副环整定方法直接整定副环，确定副环整定方法直接整定副环，确定副环4 4：1 1振荡过程振荡过程振荡过程振荡过程 时的比例度和振荡周期；时的比例度和振荡
34、周期；时的比例度和振荡周期；时的比例度和振荡周期； 放好副控制器放好副控制器放好副控制器放好副控制器4 4：1 1的比例度，积分时间最大，微分时间最小，的比例度，积分时间最大，微分时间最小，的比例度，积分时间最大，微分时间最小，的比例度，积分时间最大，微分时间最小， 同样方法整定主控制器，确定副环同样方法整定主控制器，确定副环同样方法整定主控制器，确定副环同样方法整定主控制器，确定副环4 4：1 1振荡过程时的比例度和振荡过程时的比例度和振荡过程时的比例度和振荡过程时的比例度和 振荡周期；振荡周期；振荡周期；振荡周期；分两步整定两个控制器分两步整定两个控制器分两步整定两个控制器分两步整定两个控
35、制器 按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PIDPID参数；参数；参数；参数； 先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。2.3.22.3.2串级控制系统的工程整定方法串级控制系统的工程整定方法串级控制系统的工程整定方法串级控制系统的工程整定方法一步法一步法一步法一步法 表表表表2-1 2-1 副控制器参数经
36、验设置值；副控制器参数经验设置值；副控制器参数经验设置值；副控制器参数经验设置值； 按单回路方法直接整定主控制器；按单回路方法直接整定主控制器；按单回路方法直接整定主控制器；按单回路方法直接整定主控制器；主要整定主控制器，比两步法简单、实用主要整定主控制器，比两步法简单、实用主要整定主控制器，比两步法简单、实用主要整定主控制器，比两步法简单、实用 观察控制过程，适当调整主控制器观察控制过程，适当调整主控制器观察控制过程，适当调整主控制器观察控制过程，适当调整主控制器KK值，或适当调整副值，或适当调整副值，或适当调整副值，或适当调整副控制器的参数控制器的参数控制器的参数控制器的参数串级控制系统串
37、级控制系统2.1 2.1 概述概述概述概述2.2 2.2 串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施2.3 2.3 串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定2.4 2.4 串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.5 2.5 串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质
38、量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究第第2章章教学进程教学进程教学进程教学进程系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的特点特点特点特点: : 多了一个副回路；多了一个副回路；多了一个副回路；多了一个副回路； 多了一个控制器。多了一个控制器。多了一个控制器。多了一个控制器。2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点G
39、C(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm（s）R（s）GC1(s)GC2(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm2（s）Gm1（s）2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点（1）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率GC1(s)GC2(s)GV(s)G02(s)G01（s）Gm2(s)Gm1(s)GC2(s)GV(s)GC1(s)GC2(s)GV(s)G02(s)G01（s）Gm1(s)2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点 比较可知，
40、串级系统的等效副对象的放大倍数和时间比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间常数都比原副对象的要小常数都比原副对象的要小结论结论2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力）串级控制系统具有较强的抗干扰能力串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响,串级系统比单回路系统要减小10100倍。 特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行控制，副控制，副“粗调粗调”，主，主“细调细调”，副环起到超前调节的作用，副
41、环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10100倍，倍，干扰作用于主环时，也可提高干扰作用于主环时，也可提高25倍倍 例：精馏塔提馏段温度控制系统1）副环干扰2）主环干扰2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力）串级控制系统具有较强的抗干扰能力2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点（3）串级系统具有一定的自适应能力）串级系统具有一定的自适应能力 自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象自适应问
42、题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的，设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了）变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值自适应能力自适应能力 “能力有限能力有限”，自适应控制（现代控制技术），自适应控制（现代控制技术） 2.42.4串级控制系统的特点串级控制系统的特点串
43、级控制系统的特点串级控制系统的特点（3）串级系统具有一定的自适应能力）串级系统具有一定的自适应能力F副回路增益不受主回路系统负荷影响F副回路是个随动系统，快速跟踪的能力 串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁工程上，宜简不宜繁 串级控制系统串级控制系统2.1 2.1 概述概述概述概述2.2 2.2 串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施串级控制系统的实施2.3 2.3 串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运和整定2.4 2.4 串级控制系统的特点串级
44、控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点2.5 2.5 串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究主、副环抗干扰能力比较、质量研究第第2章章教学进程教学进程教学进程教学进程2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统的关键在于副环的设计串级系统的关键在
45、于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化 关键：对工艺进行细致的分析关键：对工艺进行细致的分析包含有两方面的内容包含有两方面的内容:1) 主参数的确定主参数的确定2) 副参数的确定副参数的确定2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计设计原则设计原则设计原则设计原则 （1 1） 使副环包含系统的主要干扰使副环包含系统的主要干扰使副环包含系统的主要干扰使副环包含系统的主要干扰 副环具有快速抗干扰的能力副环具有
46、快速抗干扰的能力副环具有快速抗干扰的能力副环具有快速抗干扰的能力 （2 2） 使副环包含更多的干扰使副环包含更多的干扰使副环包含更多的干扰使副环包含更多的干扰系统干扰较多且难于分出主要干扰系统干扰较多且难于分出主要干扰系统干扰较多且难于分出主要干扰系统干扰较多且难于分出主要干扰 2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计例例1 1加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统PCTCA）炉）炉出口温度与燃料压力串级方案出口温度与燃料压力串级方案燃料压力波动燃料压力波动2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统
47、副回路的设计例例1 1加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统B）炉）炉出口温度与炉膛温度串级方案出口温度与炉膛温度串级方案燃料组成波动燃料组成波动TC2TC12.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计另外，还要考虑副环离主变量的另外，还要考虑副环离主变量的另外，还要考虑副环离主变量的另外，还要考虑副环离主变量的“ “远、近远、近远、近远、近” ”问问问问题题题题 非非非非线线线线性性性性使使使使对对对对象象象象特特特特性性性性发发发发生生生生畸畸畸畸变变变变，因因因因此此此此使使使使系系系系统统统统“ “不不不不适适适适应应应应” ” 副
48、副副副环环环环是是是是个个个个随随随随动动动动系系系系统统统统，具具具具有有有有一一一一定定定定的的的的自自自自适适适适应应应应能能能能力力力力，因因因因此此此此，可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响 （3 3） 应使非线性环节尽量包含在副环中应使非线性环节尽量包含在副环中应使非线性环节尽量包含在副环中应使非线性环节尽量包含在副环中2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计TC1TC2例例 2 2醋酸乙烯合成反应器
49、反应温度控制系统醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有一定的帮助。一定的帮助。一定的帮助。一定的帮助。 2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计 图图图图 化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克服胶液传送纯滞后化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克服胶液传送纯滞后化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克
50、服胶液传送纯滞后化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克服胶液传送纯滞后。 （4 4）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包含或不包含纯滞后含或不包含纯滞后含或不包含纯滞后含或不包含纯滞后尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。PC2PC2（5 5）虑主、副对象时间常数的匹配
51、，防止）虑主、副对象时间常数的匹配，防止）虑主、副对象时间常数的匹配，防止）虑主、副对象时间常数的匹配，防止“ “共振共振共振共振” ”发生发生发生发生 共振：共振：共振：共振：在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互影响，相互增幅。影响，相互增幅。影响，相互增幅。影响，相互增幅。 原因：原因：原因：原因： 主副回路的工作频率接近主副回路的工作频率接近主副回路的工作频率接近主副回路的工作频率接近2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设
52、计=0.216(n=1:4)2.01.01/320.51.01.5c0.60 由频率特性分析，得出结论：由频率特性分析，得出结论： 1）副环工作频率应该大于主环工作频率的）副环工作频率应该大于主环工作频率的3倍，倍， 即即 231 对于时间常数，有对于时间常数，有 T01 3 T02 2）控制器的参数整定上下功夫，（主控参数放宽）控制器的参数整定上下功夫，（主控参数放宽） 拉开工作频率。拉开工作频率。2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计1/31/2C21/32/1C 3 3 1 2 21 （6 6） 考虑方案的经济性、工艺的合理性考虑方案的经济性、工艺的合理性考虑方案的经济性、工艺的合理性考虑方案的经济性、工艺的合理性 2.52.5串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计串级系统副回路的设计 图图 丙烯冷却器两种不同串级控制方案丙烯冷却器两种不同串级控制方案(a)TCLC(b)LCPCTC
